Java 內(nèi)存區(qū)域詳解

darry 發(fā)布于2019-08-14 12:16 / 2884人閱讀

摘要：三對象的內(nèi)存布局對象在堆中的布局分為三個區(qū)域?qū)ο箢^，實(shí)例數(shù)據(jù)，對齊填充?？偨Y(jié)了解內(nèi)存區(qū)域是對的深入學(xué)習(xí)，以前只知道有堆和棧的區(qū)分，現(xiàn)在我們了解到了具體的堆棧的作用。

引言

學(xué)習(xí)Java也有一段時間了，總感覺有些東西學(xué)的不是很精通。例如Java內(nèi)存區(qū)域到底是怎么樣的？程序是怎么跑的？對象是怎么存放的？這些都影響了我對自己的程序運(yùn)行的熟悉程度。

一. 運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域

Java虛擬機(jī)在執(zhí)行java程序的過程中，會把它所管理的內(nèi)存劃分成若干個不同的數(shù)據(jù)區(qū)域（每當(dāng)運(yùn)行一個java程序都會啟動一個虛擬機(jī)）。有一本書叫做《Java虛擬機(jī)規(guī)范》，講述了Sun公司對Java虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的相關(guān)規(guī)范，其中講了虛擬機(jī)將所管理的內(nèi)存分為以下幾個部分：

程序計(jì)數(shù)器
虛擬機(jī)棧

本地方法區(qū)
堆
方法區(qū)

其中方法區(qū)和堆是由所有線程共享的，例如使用ThreadPoolExecutor創(chuàng)建多個線程時，堆與方法區(qū)都可以被多個線程讀取。

程序計(jì)數(shù)器 學(xué)過計(jì)算機(jī)組成原理的人都會知道在CPU的寄存器中有一個PC寄存器，存放下一條指令地址，這里，虛擬機(jī)不使用CPU的程序計(jì)數(shù)器，自己在內(nèi)存中設(shè)立一片區(qū)域來模擬CPU的程序計(jì)數(shù)器。只有一個程序計(jì)數(shù)器是不夠的，當(dāng)多個線程切換執(zhí)行時，那就單個程序計(jì)數(shù)器就沒辦法了，虛擬機(jī)規(guī)范中指出，每一條線程都有一個獨(dú)立的程序計(jì)數(shù)器。注意，Java虛擬機(jī)中的程序計(jì)數(shù)器指向正在執(zhí)行的字節(jié)碼地址，而不是下一條。

虛擬機(jī)棧 是線程私有的，它的生命周期與線程相同。虛擬機(jī)棧描述的是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型：每個方法執(zhí)行的時候都會創(chuàng)建一個棧幀（我覺得可以把它看作是一個快照，記錄下進(jìn)入方法前的一些參數(shù)，實(shí)際上是方法運(yùn)行時的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），用于存放局部變量表，操作數(shù)棧，動態(tài)鏈接，方法出口等信息。每一個方法從調(diào)用直到執(zhí)行完成的過程都對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)中的入棧到出棧的過程。我們平時把內(nèi)存分為堆內(nèi)存和棧內(nèi)存，其中的棧內(nèi)存就指的是虛擬機(jī)棧的局部變量表部分。局部變量表存放了編譯期可以知道的基本數(shù)據(jù)類型，對象引用，和返回后所指向的字節(jié)碼的地址。

本地方法區(qū) 與 虛擬機(jī)棧 所發(fā)揮的作用很類似，但是要注意一下，虛擬機(jī)規(guī)范中沒有對本地方法區(qū)中的方法作強(qiáng)制規(guī)定，虛擬機(jī)可以自由實(shí)現(xiàn)，即可以不是字節(jié)碼。但是也可以是字節(jié)碼，這樣虛擬機(jī)棧和本地方法區(qū)就可以合二為一，事實(shí)上，OpenJDK和SunJDK所自帶的HotSpot虛擬機(jī)就直接將虛擬機(jī)棧和本地方法區(qū)合二為一。

堆這個概念應(yīng)該很多人都很熟悉，例如初學(xué)C語言的時候，老師就會講malloc方法會在堆中分配空間，這里也一樣。這個區(qū)域是用來存放對象實(shí)例的，幾乎所有對象實(shí)例都會在這里分配內(nèi)存，虛擬機(jī)規(guī)范中講：所有對象的實(shí)例以及數(shù)組都要在堆上分配。但是隨著JIT（Just-in-time）編譯期的發(fā)展，有些時候也有可能在棧上分配（這里我也不是很明白其中的道理）。堆是java垃圾收集器管理的主要區(qū)域（很多時候會稱為GC堆，不叫垃圾堆），垃圾收集器實(shí)現(xiàn)了對象的自動銷毀。

方法區(qū) 也是各個線程共享的區(qū)域，它用于存儲已經(jīng)被虛擬機(jī)加載過的類信息，常量，靜態(tài)變量，及時編譯期編譯后的代碼（類方法）等數(shù)據(jù)。這里要講一下運(yùn)行時常量池，它是方法區(qū)的一部分，用于存放編譯期生成的各種字面量和符號引用（其實(shí)就是八大基本類型的包裝類型和String類型數(shù)據(jù)）。

最后還有一個直接內(nèi)存，在JDK1.4版本中加入了NIO類，引入了基于通道（Channel）與緩沖區(qū)（Buffer）的I/O方式，也就是說通過這種方式，不會在運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域分配內(nèi)存，這樣就避免了在運(yùn)行時數(shù)據(jù)區(qū)域來回復(fù)制數(shù)據(jù)，直接調(diào)用外部內(nèi)存。

二. 對象的創(chuàng)建

對于面向?qū)ο蟮囊婚T語言，我們無時不在通過new關(guān)鍵字創(chuàng)建對象，那么這個過程又是怎樣的呢？

當(dāng)虛擬機(jī)遇到一條new指令的時候，首先會去檢查所new的類是否已經(jīng)被加載，在哪里檢查？當(dāng)然在方法區(qū)，方法區(qū)存放了加載過的類信息。如果沒有加載，那么先執(zhí)行類的加載。

通過類加載檢查后，虛擬機(jī)開始為新生對象分配內(nèi)存，對象所需要的內(nèi)存大小在類加載完成后已經(jīng)可以確定，這時候只要在堆中分配空間即可。分配內(nèi)存有兩種方式，第一種，我們假設(shè)內(nèi)存絕對規(guī)整，那么只要在用過的內(nèi)存和沒用過的內(nèi)存間放置一個指針即可，每次分配空間的時候只要把指針向空閑空間移動相應(yīng)距離即可。第二種，我們假設(shè)空閑內(nèi)存和非空閑內(nèi)存夾雜在一起，實(shí)際上就是這種情況，那么就需要一個列表，去記錄堆內(nèi)存的使用情況，操作系統(tǒng)對內(nèi)存的管理就是這樣的。

那么，我們還要考慮一個問題，即在多線程的情況下，只有一個指針怎么能確保一個線程分配了內(nèi)存指針沒修改的時候另一個線程又分配內(nèi)存不會覆蓋之前的內(nèi)存呢？這里有一種方法，讓每一個線程在堆中先預(yù)分配一小塊內(nèi)存（TLAB本地線程分配緩沖），每個線程只在自己的內(nèi)存中分配內(nèi)存。

最后，對象被成功分配內(nèi)存。我們知道通過一個對象，我們可以通過getClass()方法獲取類，默認(rèn)比較兩個對象實(shí)際比較的是對象內(nèi)存的哈希值，這又是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？其實(shí)在分配完內(nèi)存后，虛擬機(jī)會對對象進(jìn)行必要的設(shè)置，對象的類，對象的哈希碼等信息都存放在對象的對象頭中，所以分配的內(nèi)存大小絕不止屬性的總和。

三. 對象的內(nèi)存布局

對象在堆中的布局分為三個區(qū)域：對象頭，實(shí)例數(shù)據(jù)，對齊填充。

對象頭 包括兩個部分，第一部分用于存儲自身運(yùn)行時的數(shù)據(jù)例如GC標(biāo)志位，MonirGC次數(shù)，哈希碼，鎖狀態(tài)，哪個線程可以擁有等被稱為MarkWord（標(biāo)記字）。第二部分存放指向方法區(qū)類數(shù)據(jù)的指針。在32位系統(tǒng)中，class指針大小為4字節(jié)，標(biāo)記字大小為4字節(jié)。在64位系統(tǒng)中標(biāo)記字大小為8字節(jié)。

實(shí)例數(shù)據(jù) 存放類的屬性信息，包括父類的屬性信息。數(shù)組的實(shí)例部分還包括數(shù)組的長度。實(shí)例信息按類分別4字節(jié)對齊。

對齊填充 這是虛擬機(jī)要求對象起始地址必須是8字節(jié)的整數(shù)倍，可以說對齊填充沒有什么特別的含義。

四. 對象的訪問定位

我們知道，引用是引用，對象實(shí)例是對象實(shí)例。引用存放在虛擬機(jī)棧中，數(shù)據(jù)類型為reference，對象實(shí)例存放在堆中。那么引用是如何指向?qū)ο髮?shí)例的呢？

主流的訪問方式有兩種，第一種是通過句柄池，如果使用句柄池，那么java堆中將會劃分出一部分內(nèi)存作為句柄池，句柄包含對象類型指針指向方法區(qū)的類型信息，還有對象實(shí)例指針，指向堆中的實(shí)例地址。

第二種是reference引用直接指向堆中的對象實(shí)例，對象實(shí)例的對象頭存放對象類型指針。

兩種方法各有優(yōu)勢，第一種可以在對象實(shí)例在GC時移動的時候只改變句柄池中的對象實(shí)例指針，而不用改變reference引用本身。第二種方法就是訪問速度快，減少了一次指針定位的時間開銷。目前HotSpot虛擬機(jī)就采用的第二種方式。

總結(jié)

了解java內(nèi)存區(qū)域是對java的深入學(xué)習(xí)，以前只知道有堆和棧的區(qū)分，現(xiàn)在我們了解到了具體的堆棧的作用。內(nèi)存是怎么劃分的，對象是怎么存儲的，方法和屬性的存放區(qū)別。通過對這些內(nèi)容的了解，會讓我們寫java程序更加游刃有余，有的放矢。
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